一種高晶界強度鎳基合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高晶界強度鎳基合金及其制備方法；該鎳基合金化學成分按重量百分比為：鉻：20～25%，銅：0.2～0.7%，碳:0.01～0.2%，鉬：8.0～10.0%，鈷：10～15%，鋁：0.5～1.5%，鈦：0.2～0.6%，硼：0.01～0.02%，鎢：0.01～0.3%，鉭：0.01～0.3%，稀土：0.02～0.6%，余量為鎳，及其它不可避免的微量雜質(zhì)元素；高晶界強度鎳基合金的制備方法，包括以下步驟：1）原料準備：配備合適重量的Inconel617主料，少量Re、B、Ta、W用作成分調(diào)整；2）加料冶煉：將高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，再依次加入剩余的原料，并覆蓋上除渣劑，在真空冶煉爐內(nèi)進行冶煉。本發(fā)明添加了B、Ta及稀土元素，具有較低環(huán)境敏感性，起到凈化晶界，有效提高晶界結(jié)合強度的作用。
【專利說明】一種高晶界強度鎳基合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種冶金技術(shù)，特別涉及一種高晶界強度鎳基合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎳基合金是指在650~1000°C高溫下有較高的強度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金。由于其具有較高的高溫力學性能、優(yōu)良的抗氧化性能及耐腐蝕性能等優(yōu)點，廣泛應用在航空航天、油氣開發(fā)、石油化工、化工工程、電力工業(yè)、環(huán)保工程、汽車工業(yè)、海洋工程、電子工業(yè)、電加熱、熱處理、焊接等方面。
[0003]在超超臨界鍋爐中，提高火電機組鍋爐蒸汽參數(shù)(溫度和壓力)，可以有效提高超超臨界火電機組的熱效率和降低排放。當蒸汽溫度提高到700°C以上，機組的許多部件將只能采用高溫合金。目前，國內(nèi)外普遍對采用鎳基合金作為超超臨界鍋爐的高溫部件進行了研究。
[0004]由于超超臨界鍋爐高溫高壓的使用環(huán)境，對鎳基合金提出了更高的高溫力學性能要求和高溫條件下的耐 蝕性要求。而現(xiàn)有的鎳基合金由于晶界強度低，因此各方面性能還達不到超超臨界鍋爐高溫部件的要求。
[0005]我國資源緊張，能源匱乏，減少金屬成形加工工序，節(jié)約能源，降低勞動強度和生產(chǎn)成本，提高材料利用率，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種晶界高溫強度高、熱強性好，并具有優(yōu)良高溫耐蝕性的新型鎳基合金。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:一種高晶界強度鎳基合金；所述鎳基合金化學成分按重量百分比為:鉻(Cr):20~25%，銅(Cu):0.2~0.7%，碳(C):0.01~0.2%，鑰(Mo):
8.0 ~10.0%，鈷((:0):10 ~15%，鋁(Al ):0.5 ~1.5%，鈦(Ti):0.2 ~0.6%，硼(B):0.01 ~0.02%，鎢(W):0.01 ~0.3%，鉭(Ta):0.01-0.3%，稀土:0.02 ~0.6%，余量為鎳(Ni )及其它
不可避免的微量雜質(zhì)元素。
[0008]上述技術(shù)方案，所述稀土為錸(Re)、釔(Y)、鈰(Ce)、釹(Nd)和鏑(Dy)中的一種稀土或多種稀土混合物，所述稀土或稀土混合物含量為0.05~0.2%。
[0009]上述技術(shù)方案，所述稀土為一種所述稀土單質(zhì)的氧化物或多種稀土單質(zhì)的氧化物的混合物；所述稀土氧化物或多種稀土氧化物混合物的含量為0.08~0.5%。
[0010]上述技術(shù)方案，所述微量雜質(zhì)為不大于0.012的磷(P)和不大于0.008的硫(S)。
[0011]上述技術(shù)方案，所述鉻(Cr)的含量(wt.%)為21~23%。
[0012]上述技術(shù)方案，所述銅(Cu)的含量(wt.%)為0.3~0.5%。
[0013]上述技術(shù)方案，所述鑰(Mo)的含量(wt.%)為9%，所述鈷(Co)的含量(wt.%)為
11~13%。
[0014]上述技術(shù)方案，所述鋁(Al)的含量(wt.%)為0.8~1.2%，所述鈦(Ti)的含量(wt.%)為0.3~0.5%，所述硼(B)的含量(wt.%)為0.01~0.02%，所述鎢(W)的含量(wt.%)為 0.08 ~0.2%ο
[0015]一種高晶界強度鎳基合金的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0016]I)原料準備:配備合適重量的11^01^1617主料，少量1^、8、了&、1用作成分調(diào)整；使產(chǎn)品的化學成分按重量百分比為，鉻(Cr):20~25%，銅(Cu):0.2~0.7%，碳(C):0.01~
0.2%，鑰(Mo):8.0 ~10.0%，鈷(Co):10 ~15%，鋁(Al):0.5 ~1.5%，鈦(Ti):0.2 ~0.6%,硼(B):0.01 ~0.02%，鎢(W):0.01 ~0.3%，鉭(Ta):0.01 ~0.3%，稀土:0.02 ~0.6%，余量為鎳(Ni)；
[0017]2)將高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，再依次加入剩余的原料，并覆蓋上除渣劑，在真空電弧爐內(nèi)進行冶煉，冶煉后常壓下向鋼液中吹氧脫碳，同時加入氫氣或氮氣降低CO分壓以去碳保鉻；精煉期溫度控制在1660±10°C，保溫15~25min，期間調(diào)整成分使其符合要求；隨后調(diào)整合金溶液溫度準備澆注，澆注溫度為1610±10°C，過濾澆注。
[0018]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果:
[0019]本發(fā)明除了 Inconel617合金中保證其具有耐高溫氧化、具有良好的熱硬度和熱強度的Cr、Co、Mo等元素外，還添加了 W、B、Ta及稀土元素，其中W主要起固溶強化的作用。B具有較低環(huán)境敏感性，優(yōu)先占據(jù)晶界位置，起到凈化晶界的作用，且B在晶界的隔離能比自由表面低，更有利于B偏聚在晶界，進一步提高晶界結(jié)合強度。此外，由于固溶B/C(原子t匕)對鎳基合金的高溫性能也起著重要的影響。固溶B/C (原子比)較低時，晶界主要析出脆性狀態(tài)的二次大尺寸MC 薄膜和M6C枝晶片以及薄膜狀M23C6,造成高溫拉伸塑形和持久壽命很低。固溶B/C (原子比)較高時，晶界因M3B2顆粒密集析出而脆化，造成合金高溫性能降低。本發(fā)明通過控制合適的固溶B/C (原子比)，使得晶界面大部分被析出的M3B2顆粒所占據(jù)，使鎳基合金具有最高的高溫拉伸塑形和持久壽命。
[0020]Ta元素提高了 Ni基合金中Y與Y'相最強共價鍵上共價電子對數(shù)nA的統(tǒng)計值n' A，以及原子狀態(tài)組數(shù)Α值越大，鍵越強，相的結(jié)合力越強，相結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。0,愈大，組成原子適應外界條件變化的能力愈強，即抵抗變形的能力越強。Ta元素還能提高合金中Y '相的組織穩(wěn)定性。Ta元素還能降低了 Y ' /Ni界面的Λ P '，Λ P '是合金相界面電子密度差Λ P的統(tǒng)計值，Δ P越小，界面應力越小，界面越穩(wěn)定。此外，Ta極大地提高了界面上使電子密度保持連續(xù)的原子狀態(tài)數(shù)，進而提高了 Y' /Ni的界面穩(wěn)定性。
[0021]稀土元素的添加不僅可以起到固溶強化的作用，而且稀土具有較高的活性，易與其他元素發(fā)生交互作用，形成高熔點、高硬度且高彌散的化合物，通過形成的稀土化合物微小固態(tài)質(zhì)點，可在結(jié)晶界面上偏聚阻礙晶胞長大，對晶界起到釘扎作用，阻礙晶界的移動，從而強化晶界，另一方面還可起到凈化組織的作用，大大降低合金中雜志元素的含量；稀土元素的加入還可提高基體的電極電位，從而還可大大提高其耐蝕性。
[0022]本發(fā)明冶煉過程在電弧爐內(nèi)進行，由于電弧爐形成的電弧能量集中，弧區(qū)溫度在3000°C以上，工藝靈活性聞，能有效去除硫、憐等雜質(zhì)，方便調(diào)節(jié)爐溫，為得到聞質(zhì)量的鎮(zhèn)基合金提供保證；氫氧脫碳可方便控制好終點碳和終點溫度，提高電弧爐的使用壽命，還能有效減少鉻的損失?！揪唧w實施方式】
[0023](實施例1)
[0024]本發(fā)明具體實施例如下
[0025]I)原料準備:根據(jù)產(chǎn)品成分要求及每爐冶煉總重量，配備合適重量的Inconel617主料，少量稀土混合物(Re、Y、Ce、Nd和Dy的混合物)、B、Ta、W用作成分調(diào)整。新型鎳基合金的化學成分(重量百分比，%)為:
[0026]Cr:23%, Cu:0.2%, Si:0.2%, Re:0.3%, C:0.02%, Mo:9.0%, Co:12%, Al:1%, Ti:
0.4%, B:0.018%, Ta:0.2%, W:0.2%, Re、Y、Ce、Nd 和 Dy 混合物:0.6%,其余為 Ni ；
[0027]2)加料順序:高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，并覆蓋上除渣劑；
[0028]3)冶煉條件:設(shè)備:真空電弧爐，冶煉溫度:1660°C，澆注溫度:1620°C ；
[0029]對上述得到的產(chǎn)品力學性能和氧化增重檢測，900°C高溫性能為:屈服強度大于200MPa ;抗拉強度大于280MPa ；200h氧化增重小于12g/m2。
[0030]力學性能檢測方法:按照GB/T4338-2006進行900°C高溫拉伸實驗，獲得屈服強度指標。
[0031]氧化增重檢測 方法:合金在900°C高溫氧化200h后，連同氧化皮一起，采用天平稱重測試試樣總重量，與原始樣的差值除以試樣表面積即為(單位面積)氧化增重。
[0032]本實施例中稀土混合物也可以是含量同樣為0.6%的Re、Y、Ce、Nd和Dy中的兩種或兩種以上的混合物。
[0033](實施例2)
[0034]本發(fā)明具體實施例如下
[0035]I)原料準備:根據(jù)產(chǎn)品成分要求及每爐冶煉總重量，配備合適重量的Inconel617主料，少量稀土、B、Ta、W用作成分調(diào)整。新型鎳基合金的化學成分(重量百分比，％)為:
[0036]Cr:23%, Cu:0.2%, S1:0.2%, Re:0.3%, C:0.02%, Mo:9.0%, Co:12%, Al:1%, Ti:
0.4%, B:0.018%, Ta:0.2%, W:0.2%, Y:0.4%，其余為 Ni ；
[0037]2)加料順序:高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，并覆蓋上除渣劑；
[0038]3)冶煉條件:設(shè)備:真空電弧爐，冶煉溫度:1650°C，澆注溫度:1600°C ；
[0039]對上述得到的產(chǎn)品力學性能和氧化增重檢測，900°C高溫性能為:屈服強度大于180MPa ;抗拉強度大于260MPa ；200h氧化增重小于14g/m2。
[0040]力學性能檢測方法:按照GB/T4338-2006進行900°C高溫拉伸實驗，獲得屈服強度指標。
[0041]氧化增重檢測方法:合金在900°C高溫氧化200h后，連同氧化皮一起，采用天平稱重測試試樣總重量，與原始樣的差值除以試樣表面積即為(單位面積)氧化增重。
[0042]本實施例中稀土混合物也可以為含量同樣為0.4%的Re、Ce、Nd和Dy中一種。
[0043](實施例3)
[0044]I)原料準備:根據(jù)產(chǎn)品成分要求及每爐冶煉總重量，配備合適重量的Inconel617主料，少量稀土氧化物、B、Ta、W用作成分調(diào)整。使產(chǎn)品鎳基合金的化學成分(重量百分比，%)為:[0045]Cr:25%, Cu:0.2%, Si ；0.2%, Y2O3:0.5%, C:0.02%, Mo:9.0%, Co:12%, Al: 1%, Ti:
0.4%, B:0.018%, Ta:0.3%, W:0.2%, Ce2O3:0.2%，其余為 Ni ；
[0046]2)加料順序:高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，并覆蓋上除渣劑；
[0047]3)冶煉條件:設(shè)備:真空電弧爐，冶煉溫度:1660°C，澆注溫度:1620°C ；
[0048]對上述得到的產(chǎn)品力學性能和氧化增重檢測，900°C高溫性能為:屈服強度大于200MPa ;抗拉強度大于280MPa ；200h氧化增重小于12g/m2。
[0049]力學性能檢測方法:按照GB/T4338-2006進行900°C高溫拉伸實驗，獲得屈服強度指標。
[0050]氧化增重檢測方法:合金在900°C高溫氧化200h后，連同氧化皮一起，采用天平稱重測試試樣總重量，與原始樣的差值除以試樣表面積即為(單位面積)氧化增重。
[0051]本實施例中稀土氧化物也可以是含量同樣為0.2%的Re、Nd和Dy氧化物中的一種。
[0052](實施例4)
[0053]I)原料準備:根據(jù)產(chǎn)品成分要求及每爐冶煉總重量，配備合適重量的Inconel617主料，少量稀土氧化物的混合物(Re203、Y203、Ce203、Nd203和Dy2O3的混合物)、B、Ta、W用作成分調(diào)整。使產(chǎn)品鎳基合金的化學成分(重量百分比，%)為:
[0054]Cr:25%, Cu:0.2%, Si ；0.2%, Y2O3:0.5%, C:0.02%, Mo:9.0%, Co:12%, Al: 1%, Ti:
0.4%, B:0.018%, Ta:0.3%, W:0.2%, Re2O3> Y2O3> Ce2O3' Nd2O3 和 Dy2O3 的混合物:0.05%，其余為Ni ；
[0055]2)加料順序:高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，并覆蓋上除渣劑；
[0056]3)冶煉條件:設(shè)備:真空電弧爐，冶煉溫度:1660°C，澆注溫度:1620°C ；
[0057]對上述得到的產(chǎn)品力學性能和氧化增重檢測，900°C高溫性能為:屈服強度大于220MPa ;抗拉強度大于300MPa ；200h氧化增重小于10g/m2。
[0058]力學性能檢測方法:按照GB/T4338-2006進行900°C高溫拉伸實驗，獲得屈服強度指標。
[0059]氧化增重檢測方法:合金在900°C高溫氧化200h后，連同氧化皮一起，采用天平稱重測試試樣總重量，與原始樣的差值除以試樣表面積即為(單位面積)氧化增重。
[0060]本實施例中稀土氧化物混合物也可以是含量同樣為0.05%的Re203、Y2O3> Ce203、Nd2O3和Dy2O3中的兩種或兩種以上的混合物。
[0061]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高晶界強度鎳基合金；其特征在于:所述鎳基合金化學成分按重量百分比為:鉻(Cr):20 ~25%,銅(Cu):0.2 ~0.7%,碳(C):0.01 ~0.2%,鑰(Mo):8.0 ~10.0%,鈷(Co):10 ~15%，鋁(Al):0.5 ~1.5%，鈦(Ti):0.2 ~0.6%，硼(B):0.01 ~0.02%，鎢(W):.0.01~0.3% JS(Ta):0.01~0.3%，稀土:0.02~0.6%，余量為鎳(Ni)及其它不可避免的微量雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述稀土為錸(Re)、釔(Y)、鈰(Ce)、釹(Nd)和鏑(Dy)中的一種稀土單質(zhì)或多種稀土單質(zhì)的混合物，所述稀土單質(zhì)或稀土單質(zhì)的混合物含量為0.05~0.2%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述稀土為一種所述稀土單質(zhì)的氧化物或多種稀土單質(zhì)的氧化物的混合物；所述稀土氧化物或多種稀土氧化物混合物的含量為0.08~0.5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述微量雜質(zhì)為不大于.0.012的磷(P)和不大于0.008的硫(S)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述鉻(Cr)的含量(wt.%)為 21 ~23%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述銅(Cu)的含量(wt.%)為 0.3 ~0.5%ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述鑰(Mo)的含量(wt.%)為9%，所述鈷(Co)的含量(wt.%)為11~13%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高晶界強度鎳基合金，其特征在于:所述鋁(Al)的含量(wt.%)為0.8~1.2%，所述鈦(Ti)的含量(wt.%)為0.3~0.5%，所述硼(B)的含量(wt.%)為0.1~0.2%，所述鎢(W)的含量(wt.%)為0.08~0.2%ο
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一項權(quán)利要求所述的高晶界強度鎳基合金的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)原料準備:配備合適重量的Inconel617主料，少量Re、B、Ta、W用作成分調(diào)整；使產(chǎn)品的化學成分按重量百分比為，鉻(Cr):20~25%，銅(Cu):0.2~0.7%，碳(C):0.01~.0.2%，鑰(Mo):8.0 ~10.0%，鈷(Co):10 ~15%，鋁(Al):0.5 ~1.5%，鈦(Ti):0.2 ~0.6%,硼(B):0.01 ~0.02%,鎢(W):0.01 ~0.3%，鉭(Ta):0.01-0.3%，稀土:0.02 ~0.6%，余量為鎳(Ni)； 2)加料冶煉:將高熔點的Cr、Mo、Ta、W料先放入坩堝底部，然后加入Inconel617爐料，再依次加入剩余的原料，并覆蓋上除渣劑，在真空電弧爐內(nèi)進行冶煉，冶煉后常壓下向鋼液中吹氧脫碳，同時加入氫氣或氮氣降低CO分壓以去碳保鉻；精煉期溫度控制在1660±10°C，保溫15~25min，期間調(diào)整成分使其符合要求；隨后調(diào)整合金溶液溫度準備澆注，澆注溫度為1610±10°C，過濾澆注。
【文檔編號】C22C19/05GK103789576SQ201410016973
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】胡靜, 胡佳佳, 范琪, 蔡偉 申請人:常州大學